显示专题 | 免滤波、高级次衍射优化实现紧凑型全息显示 (OSA Optics Letters)

免滤波、高级次衍射优化实现紧凑型全息显示

Unfiltered holography: optimizing high diffraction orders without optical filtering for compact holographic displays

本期导读

作为一种极具前景的显示技术，计算全息（CGH）是在VR/AR近眼显示（NED）、自动驾驶抬头显示（HUD）等领域有着非常广泛的应用。全息显示仅需较低的能量消耗就能够提供前所未有的图像亮度以及动态范围，是一种为用户提供自然舒适观看体验的三维显示方式。但是上述应用需要显示系统体积相对便携、紧凑。计算全息多存在由于像素型空间光调制器带来的高级次衍射图案的干扰，一般多采用复杂的光学系统进行滤波消除，体积相对较大。鉴于此，来自斯坦福大学（Stanford University）和英伟达（NVIDIA）的研究人员开发了无需光学滤波就可消除高级次衍射的算法框架，以实现紧凑型的全息显示。研究人员设计了一个高级次衍射的传播模型，并用其来优化相位图案。这使得高级次衍射也对最终显示图像有所贡献，而不是仅带来串扰。该研究构建了无光学滤波全息显示原型样机，成功地验证了这一方法，显著优于以往的算法。该研究工作近期以论文形式发表于光学领域顶级期刊《Optics Letters》上。

技术路线

技术实现上，如图1所示，激光光源经准直后照明相位型空间光调制器，调制后的波前经过分束棱镜反射后在目标面上形成全息图像。由于像素型空间光调制器的因素形成了多个高级次衍射像，与目标面期望的图像相叠加，形成图像串扰。在传统全息显示中，多在目标面后加入4f系统，并在中间频谱面处设置小孔进行滤波操作，从而在4f系统的像面上形成无串扰的全息图像。

图1. 免滤波的全息显示系统装置示意图

该研究引入计算光学的方法，无须4f系统进行滤波，仅需通过优化的全息图像生成算法来消除高级次衍射的影响从而实现高质量的全息显示。该研究提出了高衍射级次梯度下降算法，在相位图像生成过程中综合考虑所有的衍射级次并进行协同优化。整个全息优化算法流程如图2所示。具体来说，在波前的传播过程中，不同于传统全息显示只考虑单个衍射级次，在本研究的波前传播模型中高衍射级次的衍射像也被叠加到频域图像中，再引入到角谱法的传播模型中去。通过梯度下降的方法对无滤波的目标面图像进行优化，生成相应的空间光调制器加载相位图像。

图2. HOGD的相位计算流程示意图。（黑色边框为振幅，绿色边框为相位）

图3以两个不同场景（寺庙和分辨率板）为例，利用不同全息生成算法（双相位法DPM、随机梯度下降法SGD和高级次梯度下降法HOGD）进行仿真模拟，并对结果进行比较。从结果可以看出，没有滤波的DPM由于振幅的混叠导致图像质量显著；SGD算法的结果也存在这高级次衍射带来的干涉噪声。从寺庙图像的仿真结果可以看出本研究提出的HOGD可以做到非常有效地“隐藏”高衍射级次的混叠，通过构造和破坏性干扰来产生期望的自然景象图像。但分辨率板的场景对于无滤波全息来说仍然极具挑战，高级次衍射虽没有被完全消除，但相较DPM和SGD两种方法，高级次衍射也得到了一定地抑制。

图3. 不同全息生成算法对免滤波全息的模拟结果。

该研究搭建了如图4所示的实验装置进行了验证。目标图像平面置于分束棱镜之后，通过目镜放大后用工业相机进行拍摄采集全息图像。图5展示了实验拍摄的结果。在实验中，除了对比了上述仿真中的DPM，SGD以及本文提出的HOGD，还采用了近期 Stanford University 提出的相机在环（Camera-in-the-loop）文末有链接 对SGD以及HOGD进行了一定的优化。实验结果可以看出，HOGD算法相较SGD算法提高了1dB，采用CITL的思路进行优化之后显示效果有了一定的提升，HOGD-CITL也比SGD-CITL的全息显示图像性能提高了1dB以上。其性能的提升主要是该研究提出的HOGD对高级次衍射像进行了有效地抑制。

图4. 实验装置图。

图5 不同算法对不同显示图像的实验拍摄结果对比。

由于在理想光波传播和实际光学系统之间的差异，拍摄到的图像质量与模拟结果仍有一定差距。采用CITL的方法进一步地缩小了理想光波传播和实际光学系统的差距，SGD-CITL和HOGD-CITL分别采用使用角谱和提出的高衍射级次的传播模型，可以生成更加符合实际光学系统的梯度，从而实现了全息显示图像质量增强。
技术总结
    论文所示的结果表明了无须滤波的全息显示利用合理的高衍射级次传播模型可以产生高质量的图像。HOGD和HOGD-CITL算法相较过去没有光学滤波的算法展示出了显著的性能改进。尽管在稀疏场景下确实有一些挑战，但能很好地展现自然场景图像。无滤波的全息显示要求SLM和目标面之间的传播距离较小，当SLM像素间距减小，这个传播距离将大大减少。相信该研究工作将为下一代轻量级、可穿戴的便携式全息近眼显示设备的实现提供新思路。

论文信息：

• M. Gopakumar, J. Kim, S. Choi, Y. Peng, and G. Wetzstein, Unfiltered holography: optimizing high diffraction orders without optical filtering for compact holographic displays, Opt. Lett. 46, 5822-5825 (2021)

技术详见：

https://www.computationalimaging.org/publications/unfilteredholography/

*该技术分享所涉及文字及图片源于作者论文和网络公开素材,不做任何商业用途。欢迎点击查阅该研究小组在计算全息领域近期 Neural Holography 系列工作的相关报道
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